太阳系起源与演化

(一)太阳系与地球起源假说

1. 星云说

要了解太阳的起源，就必须了解地球的起源，因为地球和太阳的起源是分不开的。历史上第一个科学地解释地球和太阳系起源问题的是康德和拉普拉斯两位著名学者。康德是德国哲学家，拉普拉斯是法国的一位数学家，他们认为太阳系是由一个庞大的旋转着的原始星云形成的(图1-4)。原始星云是由气体和固体微粒组成，它在自身引力作用下不断收缩。星云体中的大部分物质聚集成质量很大的原始太阳。与此同时，环绕在原始太阳周围的稀疏物质微粒旋转加快，便向原始太阳的赤道面集中，密度逐渐增大，在物质微粒间相互碰撞和吸引的作用下渐渐形成团块，大团块再吸引小团块就形成了行星。行星周围的物质按同样的过程形成了卫星。这就是康德-拉普拉斯星云说。

图1-3 恒量的演化

图1-4 拉普拉斯星云说示意图

康德-拉普拉斯的星云说都解释了太阳系天体运动中同向性、共面性和近圆性的主要特点，但是在细节上却略有不同。比如两者对于行星转化动力的不同解释导致康德认为太阳系形成是微粒先分别聚集成团块再形成行星，而拉普拉斯解释为气体云分离成环再聚集成行星。

星云说认为地球不是上帝创造的，也不是在某种巧合或偶然中产生的，而是自然界矛盾发展的必然结果。从唯物主义观点出发，就物质的运动去说明天体的演化，星云假说起了很大的作用。恩格斯曾赞扬康德的“星云说”，指出“康德关于目前所有的天体都从旋转的星云团产生的学说，是从哥白尼以来天文学取得的最大进步。认为自然界在时间上没有任何历史的观念，第一次被动摇了。”然而，由于历史条件的限制，这个星云说也存在一些问题，但它认为整个太阳系包括太阳本身在内，是由同一个星云主要是通过万有引力作用而逐渐形成的这个根本论点，在今天看来仍然是正确的。关于地球和太阳系起源还有许多假说，如碰撞说、潮汐说、大爆炸宇宙说等。

2. 灾变说与俘获说

按照拉普拉斯的星云说，太阳的自转应该很快，但是后来的实际观测才知道，太阳本身的转动很慢，自转一周要25～30天。那么一定有一种原因使行星的公转运动加快，或者是太阳的转动从原来的情况下变慢。这是星云说没有解决的问题。于是产生了借外力来解释这种原因的假设，其中以20世纪英国天文学家秦斯的潮汐说为代表。秦斯认为，太阳形成以后，在二十万万年前有另外一个巨大的恒星非常靠近地掠过太阳，使得太阳产生了意外的灾变而形成了太阳系。因为这颗外来恒星的引力作用，对太阳产生了起潮力，从太阳上牵引出一条条纺锤形的物质。这些细长的纺锤形的物质顺着恒星离去的方向绕太阳转动，并逐渐冷却而形成行星。行星的角动量是从另外恒星上获得的，所以可具有比太阳更大的角动量。这就是秦斯的潮汐说，又称“灾变说”。

苏联施密特提出了太阳系起源的俘获说。他认为六七十亿年前，太阳在银河系旋转运动中穿过浓厚的星际物质，由于太阳本身的引力作用，吸引了一大批星际物质。星际物质中的质点，原先在各自的轨道上环绕太阳旋转，其轨道偏心率和倾角是多种多样的，质点彼此碰撞，逐渐减缓速度。由于速度减小，围绕着太阳的球状尘埃集团逐渐变成扁平的圆盘。当这个圆盘十分扁平，达到一定密度的时候，就开始分裂成各个浓团。这就是行星的胚胎。小的浓团被大的吸引合并，经过多次反复的过程，形成了行星。俘获说解释行星的轨道近似正圆，是由于质点各自椭圆轨道平均化的结果。这些质点原先是大体上在同一方向上运行的，但个别质点是逆行，它们是形成逆行卫星的材料，又因为扁平气体尘埃云聚集在赤道平面上，因此各行星凝聚体差不多同在这一平面之内。大行星是由较多质点集聚而成的，从而获得较大的动量矩，结果转动加快，因此不同大小的行星各有其自转、公转的速度。

以上两种假说都试图用外来因素来解释太阳系角动量的特殊分布问题，但事实上都未能解释这一问题，潮汐说中，被拉出来的物质，能获得的角动量是非常小的，此外在太阳表面，5500℃高温下，被拉出的一股物质会立即扩散在茫茫天空中，不可能凝聚成行星。俘获说认为构成行星的物质是太阳从外面俘获来的，这就无法说明太阳和行星在组成成分之间的联系，以及太阳和地球年龄相近的事实。这两种假说的最大问题，还在于它们是建立在偶然的机遇上。在广阔的宇宙空间，两颗恒星相遇的机会是极为罕见的，要6×1017年才可能发生一次。根据计算，太阳从星际物质中俘获物质的概率是极其微小的。星际物质中的质点速度过大，不可能被太阳俘获，而速度过小就会像陨星一样落到太阳里去。

目前已经发现像太阳系这样的行星系统是普遍存在的。在太阳系的近邻曾先后发现20个行星系统，其中离太阳较近的100个恒星中，有行星的就有6个。例如距太阳5.9光年的巴纳德星，就有两个暗伴星，它们的质量和木星属于同一数量级，显然是巴纳德的行星。又如天鹅座61B星也有一个不发光的暗星，质量等于木星的16倍。离我们最近的比邻星(南门二的伴星)在它旁边也有一个质量为木星两倍的暗星，据估计，在银河系就有10亿个和太阳系相似的行星系统。既然行星系统是普遍存在的，那么，任何关于太阳系的起源学说，如果建立在偶然的机遇上是不能令人信服的。所以这两种假说尽管在当时曾引起人们的重视，但不久都先后冷落下去了。

3. 新星云说

自20世纪50年代以来，这些假说受到越来越多的人的质疑，星云说又跃居统治地位。国内外的许多天文学家对地球和太阳系的起源不仅进行了一般理论上的定性分析，还定量地、较详细地论述了行星的形成过程，他们都认为地球和太阳系的起源是原始星云演化的结果。我国著名的天文学家戴文赛认为，在50亿年之前，宇宙中有一个比太阳大几倍的大星云。这个大星云一方面在万有引力作用下逐渐收缩，另外在星云内部出现许多湍涡流。于是大星云逐渐碎裂为许多小星云，其中之一就是太阳系前身，称之为“原始星云”，也叫“太阳星云”。由于原始星云是在涡流中形成的，因此它一开始就不停地旋转。原始星云在万有引力作用下继续收缩，同时旋转加快，形状变得越来越扁，逐渐在赤道面上形成一个“星云盘”。组成星云盘的物质可分为“土物质”“水物质”“气物质”。这些物质在万有引力作用下，又不断收缩和聚集，形成许多星子。星子又不断吸积、吞并，中心部分形成原始太阳，在原始太阳周围形成了行星胎。原始太阳和行星胎进一步演化，形成太阳和八大行星，进而形成整个太阳系。我们居住的地球，就是八大行星之一，这就是现代星云说(图1-5)。今天，通过天文观测以及星际地宇宙航行，特别是射电天文望远镜的日趋完善，人们对地球和太阳系起源的认识已经达到了相当深的程度，但是这种认识还很不完善，仍然存在着许多疑点和问题，有待我们进一步去探测和研究。

图1-5 现代星云说演化图(据舒良树《普通地质学》，2010)

1．旋转的星云，由气体和尘埃所构成;2．星云内的物质彼此吸引而收缩，由于角动量守恒，旋转开始加快;3．旋转的快速足以使垂直于旋转轴的收缩减缓，结果形成一个盘即一个致密的物质团，它将最终成为太阳;4．当旋转阻止了盘进一步塌缩时，它崩裂成更小的团块，而部分角动量则为团块的轨道运动所获得，然后团块可能收缩;5．物质团块聚集起来，形成了行星，这时太阳开始辐射，并产生了巨大的太阳风(一种稠密的粒子流);6．太阳风清除了太阳系的残留物

(二)太阳系的运动规律

太阳也是距地球最近的一颗能够自身发光、发热的恒星。对地球上的人类来说，它是最重要的天体。我们对太阳的研究，主要是为了探明它对地球的影响。研究太阳的演化规律，将有助于我们认识和了解宇宙天体中其他恒星的一般特征。

1. 太阳系的构成

太阳系是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体系统。在太阳系中，太阳是太阳系的中心天体。其他天体都在太阳的引力作用下绕太阳公转(图1-6)。国际天文学联合会于2006年8月24日通过了新的行星的定义，原来太阳系九大行星中的冥王星降级，地球为太阳系中八大行星之一。

图1-6 太阳系的构成

依照至太阳的距离，行星依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，8颗行星中的6颗行星有天然的卫星环绕着。在英文的天文术语中，因为地球的卫星被称为“月球”，这些卫星在英语中习惯上亦被称为“月球”(moon)，在中文里面用“卫星”一词更为常见(图1-7)。

图1-7 太阳系的八大行星

2. 太阳系行星的运转规律

太阳的自转，大多数行星的自转，行星绕太阳公转，大多数卫星公转都是同一方向，从北天空看起来是逆时针方向的。这一特点称为“行星的同向性”。但也有一些例外，如金星和天王星的自转方向，以及卫星中木卫(木星的卫星)八、九、十一、十二和土卫(土星的卫星)九以及天王星、海王星的卫星公转方向，都是顺时针方向的。行星公转轨道几乎都在同一平面上，与太阳赤道的交角为7°左右，而且轨道偏心率都很小，接近正圆。这就是行星轨道的共面性与近圆性。

3. 太阳系行星的相互关系

行星和太阳的平均距离具有一定的规律性，称“波德定律”。即离太阳越远，两个行星的轨道相隔越远。行星在质量和大小方面都是中间大、两头小。类木行星有木星、土星、天王星和海王星。木星的质量等于其他8个行星质量总和的两倍半，木星和土星的质量总和等于其他7个行星质量的12倍。但在密度分布上，靠近太阳几个类地行星包括水星、金星、地球和火星的密度，在4～5g/cm3之间。远离太阳的巨行星和远日行星，密度较小，在0.7～1.6g/cm3之间。

(三)太阳光谱与能量传递

1. 热核反应与太阳能

远在人类出现前几十亿年，太阳给予地球的光和热同现在差不多，即太阳的温度在一个很长的时期中几乎是固定的。既然太阳不断地消耗这么巨大的热量，它就应当很快地冷却下来。然而事实并非如此。那么，太阳由于辐射而消耗的能量，必定有某种能源不断地进行补充。为了寻求这种能源，19世纪的物理学家试遍了所有已知的能源，但不论是化学反应(燃烧)，还是陨星降落到太阳上、太阳的收缩等，都不能解释这一事实，因为它们只能维持较短时期的热消耗。

20世纪，随着原子核物理学的发展，发现了化学元素的聚变。已经确切知道:一些较重的化学元素的原子核可以从较轻、较简单的一些原子核聚变而成。组成太阳的物质，大约3/4为氢元素。而太阳中心温度高达1.5×107℃，氢原子在这样高温的条件下，失去核外电子，剩下的原子核叫“质子”。又由于高温，质子以极大速度运动，质子与质子之间就会克服静电斥力，产生猛烈的碰撞。在碰撞过程中，4个质子结合成为1个原子核即氦核，从而释放出巨大的能量。

4个氢核聚变成1个氦核的反应要在几百万摄氏度的高温下才会产生，故称之为“热核反应”。太阳可以说是一所巨大的原子能工厂，不断地辐射出由于核聚变而产生的原子能。这种能量产生的原理和现代人类已掌握的氢弹爆炸一样，只不过规模大得多罢了。事实上氢弹的制成，就是从太阳和恒星的能量辐射得到启发的。

在热核反应中，会发生质量和能量的转化。爱因斯坦在狭义相对论中指出，质量和能量是一个事物的两个方面，可以互相转化。很少一点质量就可以转化为巨大的能量，它们之间的关系公式如下:

E=mc2

式中，E表示能量，单位为焦耳(J);m表示质量，以克(g)为单位;c表示真空中的光速，约为3×1010cm/s。

氢核的质量m H=1.0079m0(m0是原子质量单位，国际上取碳原子的1/12为标准)。氦核的质量m He=4.0026m0。当4个氢核聚合成1个氦核时质量的亏损为△m，即:

△m=(4×1.0079－4.0026)m0=0.029m0

现在计算1克氢聚变为氦时，其质量的亏损，以X表示，即:

4×1.0079∶ 1=0.029∶ X

解得:X=0.0072g

于是，求出其相应的能量为:

E=0.0072×(3×1010)2=6.3×1011J

故1g氢聚变为氦可产生约1.5×1011cal(1cal=4.18J)的热能。这一数值相当于燃烧15t石油，或2700t煤所发出的热能。因太阳每秒钟向宇宙空间辐射的能量为38.91×1025J，这个数值除以6.3×1011J，再乘以0.0072g，即得400多万吨。也就是说太阳每秒钟要亏损400多万吨的质量。然而这对太阳的巨大质量来说是微不足道的。太阳已存在50亿年，假定在这一段时间内，它一直以目前的辐射率放出能量，那么它只不过消耗了全部质量的0.03%而已。由于太阳内部的热核反应所产生的能量，以太阳光和热的形式传送给太阳系中的各个天体，因此作为太阳系行星天体的地球，自然也是太阳光能与热能的受益者。其中，地球白昼是因其在自转时，面对太阳的部分，接受太阳光的照射所致。当然，太阳辐照在地球表面的光线不仅仅是可见光，还包括了一系列不可见的光，如紫外线、X射线、β射线、γ射线等。

2. 太阳光的形成与光谱

太阳的中心温度最高，所以发生热核反应的产能区在太阳中心。太阳能的输送，除了光球下有一薄层是靠对流作用外，主要是辐射作用。热核反应产生的能量主要是γ射线(波长短于10－8cm)。射线的量子能非常强，是可见光量子能的几百万倍。γ射线经过广大的辐射区就和大量的原子(主要是氢原子)碰撞，有时使原子核分裂，更多的情况是使绕着原子核旋转的电子在自己不同能级的轨道上振荡起来。这样，γ射线就会软化，形成一些波长较长、能量较小的X光、紫外线、可见光和红外线(热线)以及波长更长的射电波(图1-8)。从射线到射电波皆属电磁波。从波峰到波峰或从波谷到波谷的距离称“波长”。太阳的电磁波波长范围很广，肉眼能看得见的光仅是电磁波中极窄小的一部分。可见光的波长范围为0.4～0.8μm(1μm=10－6m)。

图1-8 太阳电磁波(单位:m)

太阳辐射能量的分布，在可见光部分占48%;波长比紫光短的紫外区占7%;波长比红光长的红外区占45%。太阳的可见光通过棱镜就会呈现一条红、橙、黄、绿、蓝、紫的光带。这是因为可见光是由多色光所组成的。由于各种光的折射率不同，因此一束阳光通过棱镜后就形成了一条彩色的光带。雨过天晴，天空的彩虹就是因为大气中的水滴起了相当于棱镜的作用造成的。

1859年德国化学家本生和物理学家基尔霍夫研制出第一台光谱仪。从此人们可以通过对天体光谱的分析来研究它们的化学成分。新的科学方法所获得的巨大成就，是一百年前所梦想不到的。它不仅使人们了解了天体的化学成分，还可藉它测出天体的温度。图1-9为太阳光通过棱镜被分解成从红至紫的七色光带度、运动速度和磁场强度等。